本技术论文描述了使用Moku:Pro的多功能仪器模式(MiM)，来实现和验证锁相环(PLL)功能。我们将了解到Moku:Pro的多功能仪器模式(MiM)的特点，同时也会了解到Moku在大部分的可实施系统中所起的强大的作用，尤其是PLL锁相功能。
如何使用Moku:Pro的多功能仪器模式实现锁相环
一． 简介
本技术论文描述了使用Moku:Pro的多功能仪器模式(MiM)，来实现和验证锁相环(PLL)功能。我们将了解到Moku:Pro的多功能仪器模式(MiM)的特点，同时也会了解到Moku在大部分的可实施系统中所起的强大的作用，尤其是PLL锁相功能。
Moku:Pro是一个建立在芯片基础上的仪器测试系统，能够在一个基于FPGA的硬件平台上运行多个仪器功能。现在，有了多功能仪器模式，传统上由独立硬件盒或模块组成的整个测试设备系统可以在一个Moku:Pro上实现。利用FPGA的动态重配置，用户可以独立地热插拔仪表，而不影响系统中的其他仪表。此外，仪器之间可以相互连接，信号在FPGA内完全通过数字域传递。这可以实现高数据速率和超低延迟，而且不会出现通常由独立硬件模块或仪器之间的模数或数模转换导致的信噪比下降。
多仪器模式极大地扩展了 Moku:Pro 的多功能性，实现了 IoC 功能的潜力。
多仪器模式架构如图1所示。
图1：Moku:Pro 上的多仪器模式用户界面--所有4个插槽均为空
图1显示了构建多仪器系统的起点。Moku:Pro的FPGA分为4个仪器插槽。每个插槽代表Moku:Pro内部Ultra Scale+ FPGA中的一个段，每个插槽都可以访问 Moku:Pro的模拟输入和输出。信号可以在数字域中的这些仪器之间传递，而无需离开FPGA，因此无损耗，具有确定性的纳秒级延迟。用户可以灵活地将Moku:Pro的单个仪器放入这些插槽中;例如，频谱分析仪、示波器、频率响应分析仪和PID控制器可以同时部署，也可以以任意组合方式部署。
二． 锁相环介绍
锁相环是一种跟踪输入信号相位，并使用它来控制输出信号频率的系统，从而有效地将频率锁定在一起。这个功能从研发到设计，以及在原型设计的所有应用中都非常有用，甚至在测试工程师的手中都非常重要。例如，PLL是无线电接收器和其他电信工程的基本组件，为计算机提供稳定的时钟，同步时钟或以源信号的倍数生成频率（进行频率合成）。最基本的PLL是相位检测器，后跟低通滤波器和压控振荡器。VCO 提供与其输入电压成比例的频率输出。
图2：锁相环框图
鉴相器接受两个输入：外部时钟和基准振荡器或本机振荡器。鉴相器（PD）输出是一种电压，取决于输入时钟的相位差，用于驱动VCO。PD有不同的实现。例如，可以使用混频器（或解调器）。这样做的缺点是会产生频率杂散或谐波，因此需要在低通滤波器这里设置限制参数，这样就会减少锁定时间或捕获范围。另一种PD实现方式是数字实现的鉴相器。Moku:Pro的相位计是高精度（6μrad/√Hz）数字相位检测器的一个例子。
三． Moku:Pro 锁相环的实现
3.1 相位检测器（PD）功能
我们将在 Moku:Pro 上实现一个 PLL并检查其操作过程。
首先，我们注意到锁相放大器（LIA）具有解调级，后跟低通滤波器。Moku LIA还可以将X-Y输出转换为幅度和相位（r-Φ），因此我们可以将LIA用作相位检测器。图3显示了Moku锁相放大器用户界面，其中本振设置为50 MHz，解调器后接低通滤波器（1 kHz），矩形至极性转换，最后是增益和失调功能。极性转换的相位输出被馈送到输出A，并将形成我们的相位测量。
图3：Moku:Pro 锁相放大器用户界面
3.2 断续器
VCO使用波形发生器在Moku:Pro上实现。Moku波形发生器可以调制来自各种源的输出。例如，调制源可以是另一个波形发生器、内部源或仪器的输入。图4显示了波形发生器用户界面。为了实现VCO，配置波形发生器为产生频率调制（FM）正弦波，调制源设置为输入A；调制深度设置为±50 kHz/V，这将最终确定最大捕获范围。
图4：Moku:Pro波形发生器;调频信号
多仪器模式仪器间总线为2Vpp，因此最大FM偏差为±50kHz。还值得注意的是，载波设置为50.05 MHz。这与锁定的50MHz本振的偏差为50 kHz，因此本示例将需要完整的FM偏差范围。
3.3 多仪器配置功能
现在，我们将配置多仪器模式。从图 1 的空白配置开始，我们将 MiM 设置为如图5所示。插槽1包含LIA（PD功能）。插槽2由FM波形发生器（VCO）占用。VCO的输出被驱动到内部总线#2，从而环路回到锁相放大器（PD）的输入A。
图5：为 PLL 测试和测量配置的 MiM
能够观察时域和频域中的PLL处理过程中的信号是很有帮助的，因此我们在插槽3中部署了示波器，在插槽4中部署了频谱分析仪。两者都设置为观察总线 1（PD参考LO）和总线2（FM，WG或VCO输出）。所有4台仪器可同时独立运行。这是检查PLL过程信号的有用设置；在大多数应用中，VCO通常为LO供电，锁定通过ADC向外部供电的信号，并锁定到LIA的输入A。
3.4 锁相环操作
在初始设置时，锁相放大器配置为关闭其输出A。这意味着PD输出被禁用，波形发生器（WG）将以50.05 MHz输出其FM信号。图6是插槽1中LIA的用户界面，内置示波器显示50 MHz的LO和输入A（WG输出）上的输入信号（WG输出）为50.05 MHz。这些信号未锁定，输入相位连续滚动超过参考LO。
图6：输出关闭的锁相放大器;锁相环解锁
图7是插槽 3 示波器的用户界面，用于确认 PLL 的解锁状态。VCO和基准电压源的频率相距50 kHz，示波器数据窗口显示相位增量在± 180度之间波动。
图7：锁相环解锁示波器
图8显示了插槽4频谱分析仪在相同的解锁PLL情况下。我们看到通道A上的LO为50.000 MHz，VCO输出为50.051 MHz，这是一个稳定且固定的频率偏移。
图8：具有解锁 PLL 的频谱分析仪
3.5 锁定锁相环
现在，我们只需在输出 A 上轻点一下即可启用锁相放大器输出。锁相放大器输出现在正在驱动一个误差信号，该误差信号表示LO和VCO输出之间的瞬时相位误差。WG（VCO）响应，环路锁定，而WG输出跟踪LO。
图9：带锁定 PLL 的示波器
图9显示了插槽 3 中的示波器，具有两个锁定的正弦波，LO 和 VCO 之间的稳定相位差为 16.65 度，标准偏差为 0.02度，样本大小为 n=10049。值得注意的是，信道A/红色（来自LIA的参考LO）在50 MHz时的频率标准偏差为1.017 Hz，而VCO显示标准电压为3.229 Hz。这可能是由于VCO输出生成过程中的量化误差造成的。为了进一步研究这一点，记录了一系列FM调制深度的VCO输出频率σ，从而记录了一系列控制环路增益。结果示于表1和图10中。
更深的调制深度（每伏的高FM偏差）提供更宽的锁定带宽，但增益较低。数据证实了这一点，并且更窄的锁定带宽提高了锁定的精度。在 10kHz/V 时，σ （f断续器） 靠近σ （fc） 此PLL性能将在未来的技术说明中使用Moku:Pro的相位计精度进一步研究。
表 1：
Fvco 与 FM 深度的关系
图10：
Fvco与FM深度的关系
在图11中，插槽4中的频谱分析仪显示VCO和LO现在锁定在50.0002 MHz，200 Hz的偏移可能是由于频谱分析仪与示波器的测量算法不同。
图11：带锁定 PLL 的频谱分析仪
四． 结论
Moku:Pro的多仪器模式可以进行非常灵活的仪器配置，同时部署多达4台仪器。这些仪器可以同时运行，彼此独立。在本技术说明中，我们实现了一个PLL。这会将VCO（由Moku:Pro的波形发生器实现）锁定到锁相放大器内部基准。虽然这是对PLL原理和直观的Moku:Pro用户界面的演示，但典型的应用将涉及锁定到频率稍低的未知频率（如无线电载波）的外部信号（通过Moku:Pro的ADC采样）。锁定信号很可能通过其DAC从外部驱动到Moku:Pro。
直观的图形用户界面使我们能够在几分钟内完成此实验，并观察快速锁定时间和锁定范围（±50kHz）。我们已经观察到PLL在时域和频域中的锁定，并使用示波器的数据记录功能来记录统计数据，包括PLL频率的标准偏差。通过这样一个灵活的测试平台，有许多应用程序可以实现。虽然此注释和示例完全在一个 Moku:Pro 中运行，但 PD 或 VCO 元件可能是受测的外部系统。此外，该示例可用于评估设计方案，在提交到硬件之前，使用 Moku 硬件评估设计参数。
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